OBTENÇÃO DE ENERGIA Biologia e Geologia

10º Ano

2009/2010

Metabolismo celular

A fotossíntese assegura o fluxo energético que se inicia no Sol e continua através dos seres vivos.

Os compostos orgânicos sintetízados durante a fotossíntese são altamente energéticos, no entanto não podem ser utilizados directamente nos processos bioquímicos que ocorrem no interior das células, pelo que têm que ser degradados de forma a libertar a energia formando ATP, a qual já pode ser utilizada.

Metabolismo celular

Nas células ocorrem muitas reacções químicas essenciais à vida.

Ao conjunto de todas essas reacções dá-se o nome de Metabolismo celular, podendo no entanto distinguir-se dois tipos:

Metabolismo

Catabolismo

Compostos orgânicos são decompostos em moléulas mais simples, ocorrendo libertação de energia.

Anabolismo

Reacções onde ocorre fiormação de moléculas mais complexas a partir de moléculas simples, havendo consumo de energia.

ATP

A libertação de energia dos compostos orgânicos faz-se por etapas.

Caso contrário a libertação de calor seria tal que se tornaria incompativel com a vida.

Assim a obtenção de energia dá-se através de uma sequência de reacções em cadeia nas quais a energia vai sendo libertada e acumulada em compostos energéticos intermédios como o ATP.

De facto o ATP é o composto energético intermédio mais comum nos seres vivos, sendo por isso considerado o transportador universal de energia, a nível celular.

Transportadores e aceptores

Existem diversas vias catabólicas capazes de transferir a energia contida nos compostos orgânicos para moléculas de ATP.

Nestas intervêm compostos como o NAD que transporta protões e electrões do hidrogénio desde o substracto (composto orgânico incial) até a um aceptor final.

Se o aceitador (aceptor) final for uma molécula inorgânica, o conjunto destas reacções denomina-se de respiração.

Se a aceptor for o oxigénio dá-se o caso particular da respiração aeróbia.

Se o aceptor final for outro composto inorgânico como por exemplo o Nitrato, o Sulfato ou o Dióxido de Carbono estamos perante a respiração anaeróbia.

Por outro lado se não existir um aceptor final externo, mas sim um derivado do substracto inicial, como por exemplo o piruvato, então estamos perante o caso da fermentação.

Respiração vs Fermentação

Seres vivos simples como algumas bactérias, utilizam a fermentação como via única de obtenção de energia, denominam-se anaeróbios obrigatórios.

No caso do Homem, e de outros seres vivos como as leveduras, utiliza preferencialmente a respiração aeróbia, pois através dela retira grandes quantidades de energia.

No entanto e perante uma situação de ausência desse gás, concentrações baixas ou ainda situações onde é necessário energia extra, alguns destes seres vivos são capazes de realizar fermentação como uma via alternativa, por isso se denominam de anaeróbios facultativos.

Fermentação

Fermentação

No ínicio do século XIX, Louis Pasteur realizou uma série de experiências com leveduras, com vista a conhecer melhor o processo de fermentação.

As leveduras são fungos (eucariontes) unicelulares com grande capacidade de multiplicação perante as condições necessárias.

Meios ricos em açucares;

Temperaturas amenas.

A velocidade de reprodução das leveduras varia por exemplo com:

Quantidade de substracto;

Quantidade de produto final resultante.

Fermentação

Pasteur realizou várias experiências, uma das mais simples foi aquela em que apenas variou a presença ou não de oxigénio.

Verifica-se que o processo aeróbio deverá ser mais rentável pois a quantidade de levedeuras final é muito maior do queno caso anaeróbio.

Outro facto visível é que um dos produtos finais da fermentação (anaeróbia) é um álcool etílico, razão pelo qual se denomina a este processo, fermentação alcoólica.

Fermentação

A fermentação levada a cabo pelas levedura é responsável pela produção/transformação de muitos dos produtos alimentares humanos.

A fermentação é um processo simples e, em termos evolutivos, primitivo.

Ocorre no hialoplasma das células e divide-se em:

Glicólise – conjunto de reacções que degradam a glicose até ácido pirúvico ou piruvato.

Redução do piruvato – conjunto de reacções que conduzem à formação dos produtos de fermentação.

Glicolise

A glicose é uma molécula quimicamente inerte, assim para que a sua degradação se inicie é necessário activa-la através de energia fornecida pelo ATP. (FASE DE ACTIVAÇÃO)

De seguida ocorre uma sequência de reacções até à formação de ácido pirúvico com formação de ATP e NADH. (FASE DE RENDIMENTO)

Assim para activar cada glicose é necessário o gasto de 2 ATP com o ganho de 4 ATP e 2 NADH.

O Rendimento é assim de 2ATPs e 2NADHs.

Formando-se por cada glicose 2 Piruvatos.

Redução do Piruvato

Os NADH formados durante a fase de activação, vão agora ser utilizados para reduzir o piruvato em condições de anaerobiose.

O produto final varia de fermentação para fermentação .

Fermentação alcoólica – álcool etílico;

Fermentação lactica – ácido láctico;

Fermentação acética – ácido acético;

Fermentação butírica – ácido butírico.

Fermentação alcoólica e láctica.

Respiração

Mitocôndrias

Bactérias e leveduras não apresentam grandes gastos energéticos, pelo que a fermentação serve perfeitamente.

No entanto em células mais evoluídas as necessidades energéticas são superiores, pelo que em células eucariontes surgiram organelos especializados – as mitocôndrias – na oxidação completa do ácido pirúvico, o que permite aproveitar muito mais a glicose.

A processo é tão intenso e completo que o produto final obtido é extremamente simples, o CO2.

Respiração aeróbia

Uma vez que este processo ocorre na presença de Oxigénio, denomina-se de Respiração Aeróbia.

Etapas da Respiração Aeróbia

Glicólise

(Citoplasma)

Formaçaõ do Acetil-CoA

(Mitocôndrias)

Ciclo de Krebs

(Mitocôndrias)

Cadeia Transportadora (Fosforilação oxidativa)

(Crista Interna das Mitocôndrias)

Glicólise e formação do Acetil-CoA

• A glicólise é uma etapa comum à fermentação e à respiração. • Por cada molécula de Glicose formam-se:

• 2 moléculas de NADH; • 4 moléculas de ATP (embora se gastem 2 para activar a Glicose); • 2 moléculas de Ácido Piruvico.

• Na presença de Oxigénio o Ácido Pirúvico entra na Mitocôndria sofrendo uma

descarboxilação e é oxidado (perda de um H+ o qual é utilizado para reduzir NAD+ a NADH).

• Ao composto assim formado junta-se um cofactor denominado de Coenzima A, formando-se por cada molécula de ácido pirúvico um molécula de Acetilcoenzima A (Acetil-CoA).

• Assim por cada molécula de Glicose formam-se: • 2 moléculas de Acetil-CoA; • 2 moléculas de NADH; • 2 moléculas de CO2.

Ciclo de Krebs

O Ciclo de Krebs, ou ciclo do ácido cítrico, é um conjunto de reacções metabólicas que leva à completa oxidação do Acetil-CoA, isto é, da glicose.

Decorre na matriz da mitocôndria.

É catalizada por uma série de enzimas onde se destacam as:

Descarboxilase;

Desidrogenase (cataliza as reacções de oxidação-redução que levam à formação do NADH).

Por cada molécula de Glicose têm que ocorrer dois ciclos de Krebs, pois formam-se dois Acetil-CoA, e por cada volta é gasto um.

Ciclo de Krebs

O ciclo inicia-se com a junção de uma molécula de Acetil-CoA (2C) com uma molécula de ácido oxaloacético (4C), formando-se um composto de seis carbonos, o Ácido Cítrico.

De seguida ocorrem duas descarboxilações e duas oxidações, com a formação de 2 CO2 e 2 NADH.

Ocorre agora uma fosforilação de ADP em ATP.

Para terminar ocorrem duas oxidações com a formação de um NADH e um FADH2.

Depois deste processo forma-se um composto de quatro carbonos, ácido oxaloacético.

Ciclo de Krebs

Por cada molécula de Glicose, no final de dois ciclos de Krebs formam-se:

Seis moléculas de NADH;

Duas moléculas de FADH2;

Transportador de electrões e protões semelhante ao NADH.

Duas moléculas de ATP;

Duas moléculas de CO2.

Cadeia Transportadora

As moléculas de NADH e FADH2 formadas nas etapas anteriores vão agora transportar os electrões até uma série de aceptores/transportadores de electrões que se encontram na membrana interna da mitocôndria.

Estas proteinas aceptoras encontram-se organizadas de acordo com a afinidade crescente para com os electrões.

O que permite um fluxo contínuo e unidireccional dos electrões na cadeia.

Existem 4 proteínas transportadoras, às quais se dá o nome de Complexo I, II, III e V.

Sendo que o aceitador final de electrões é o Oxigénio.

Cadeia transportadora

Os NADH e os FADH2 ao chegarem à cadeia transportadora, cedem os electrões que transportam, sendo por isso oxidados.

No caso do NADH:

O Complexo I que tem afinidade para electrões mais energéticos, ao receber 2 electrões bombeia protões da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar.

Ao fazer isso os electrõe perdem parte da sua energia.

Os electrões passam então para o Complexo II, que não bombeia protões, mas faz com que os electrões percam alguma energia

De seguida, os electrões com uma energia mais baixa, passam para o transportador seguinte, Complexo III, que também bombeia mais protões para o espaço intermembranar, fazendo com que os electrões perca mais um pouco de energia.

Os electrões agora ainda menos energéticos, passam para o ultimo transportador, Complexo IV, que também bombeia protões, fazendo com que os electrões percam ainda mais energia.

Nesta fase os electrões passa para o aceitador final que é o Oxigénio, que a receber duas cargas negativas junta-se também a dois protões e forma uma molécula de água.

Cadeia transportadora

Os protões transportados pelos Complexos I, III e IV, acumulam-se no espaço intermembranar e ai permanecem devido ao facto da membrana ser impermeavel aos protões.

Desta forma cria-se um desequilíbrio entre os dois lados da membrana, que tem que ser eliminado fazendo passar protões para a matriz.

Assim existem ATPases na membrana interna da mitocôndria que permitem a passagem desses protões.

Por cada protão que passa pela ATPase gera-se um ATP, por fosforilação de ADP.

Como cada NADH acaba por ser responsável pelo bombeamento de 3 protões para o lado intermembranar, então cada NADH é responsável pela fosforilação de 3 ATPs.

Cadeia transportadora

O FADH2 só transfere os electrões para o Complexo II, o qual não transporta protões para o espaço intermembranar.

Os electrões passa, então para o Complexo III e aí leva ao bombeamento de protões, fazendo com que os electrões percam energia.

Estes passam para o Complexo IV, que bombeia mais protões, e os electrões passam então para o Oxigénio levando à formação de água.

Neste caso só houve bombeamento de 2 protões, os quais ao passarem pela ATPsintetase levam à formação de 2 ATP.

Síntese de ATP

Para verificar quanto ATP cada mólecula de Glicose pode originar temos que nos lembrar que se formaram:

6 NADH no Ciclo de Krebs (Matriz Mitocondrial);

2 FADH2 no Ciclo de Krebs (Matriz Mitocondrial);

2 NADH na Glicólise (Citoplasma/Hialoplasma);

2 NADH na formação do Acetil-CoA (Matriz Mitcondrial).

Todos estes vão ser utilizados na cadeia respiratória para sintetizar ATP…

No entanto existe um problema para os NADH provenientes da Glicólise, pois a membrana interna da mitocôndria é impermeável ao NADH do hialoplasma.

Os electrões transportados então por esses NADH são normalmente cedidos a FAD existentes na matriz mitocondrial, ou em algumas situações para NAD+ da matriz mitocondrial.

Geram-se assim duas situações.

Síntese de ATP

Situação 1

Por molécula de glicose:

Os NADH da glicólise cedem os electrões ao FAD.

2NADH (Glicólise ) que se transformam em 2FADH2;

2NADH (Acetil-CoA);

6NADH (Ciclo de Krebs)

2FADH2 (Ciclo de Krebs)

4ATP+6ATP+18ATP+4ATP

TOTAL na C.T.: 32 ATP

Total da Respiração:

32ATP(C.T.)+4ATP(Glicólise)+2(C.K.)

38ATP

No entanto são gastos 2ATP para activar a Glicose, logo o rendimendo é de

36ATP.

Situação 2

Por molécula de glicose:

Os NADH da glicólise cedem os electrões ao NAD+.

2NADH (Glicólise ) que se transformam em 2NADH;

2NADH (Acetil-CoA);

6NADH (Ciclo de Krebs)

2FADH2 (Ciclo de Krebs)

6ATP+6ATP+18ATP+4ATP

TOTAL na C.T.: 34 ATP

Total da Respiração:

34ATP(C.T.)+4ATP(Glicólise)+2(C.K.)

40ATP

No entanto são gastos 2ATP para activar a Glicose, logo o rendimendo é de 38ATP.

Balanço Energético

NAD+

NADH + H+

FAD

NAD + + 2H+ + 2e -

36 ATP 38 ATP

Respiração aeróbia… visão geral

Respiração vs Fermentação

Respiração vs Fermentação

Respiração (aerobiose)

Processo mais eficaz de retirar energia dos compostos orgânicos;

No caso da Glicose pode gerar até 38 ATPs, o que representa 40% da energia contida na molécula;

Verifica-se que muita da energia se perde sobre a forma de calor, a qual pode ser utilizada pelos seres vivos para manterem o corpo quente.

Degradação completa da Glicose.

Fermentação (anaerobiose)

Processo pouco eficaz de retirar energia dos compostos orgânicos;

No caso da glicose gera 2 ATPs, apenas 2% da energia contida na molécula de glicose;

Os produtos finais como por exemplo álcool etílico (fermentação alcóolica) contém ainda muita energia química potencial.

Degração incompleta da Glicose

Vias metabólicas

Na ausência de Glicose, os organismos podem recorrer a outros compostos orgânicos como prótidos e lípidos.

Nesses casos tanto prótidos como lípidos têm que ser convertidos em compostos precedentes ao Ciclo de Krebs.